吳延坤，喻巖瓏，武炬臻，王偉，王贊，白宏偉，黃曉龍

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206；2.云南省電機(jī)工程學(xué)會，云南昆明650011；3.寧夏省供電公司中衛(wèi)供電局，寧夏中衛(wèi)755000）

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，電力工業(yè)也同步進(jìn)行升級改造。XLPE電力電纜[1-7]在大中城市得到越來越多的應(yīng)用，其安全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系重大。對電纜的局部放電檢測是獲知電纜運(yùn)行狀態(tài)的重要方法。當(dāng)前研究表明，對于局部放電[8-15]的檢測是以伴隨局部放電產(chǎn)生的電、光、聲等現(xiàn)象為依據(jù)，判斷局部放電的狀態(tài)、位置和放電的程度。國內(nèi)外用于電力電纜局部放電檢測的方法有很多，有脈沖電流法、超聲波檢測法、光測法、化學(xué)檢測法等。脈沖電流法和超聲波檢測法應(yīng)用最為廣泛。在局放檢測中，超聲波檢測法無法避免多方向的電磁干擾以及其靈敏度不夠、探測距離受限等難題[16]。理論研究表明，交聯(lián)聚乙烯電纜局部放電脈沖包含的頻譜很寬，最高可達(dá)到吉赫茲數(shù)量級[17]。早期用脈沖電流法探測低頻信號，但是干擾影響大，而XLPE電纜局部放電信號微弱，波形復(fù)雜多變，極易被背景噪聲和外界電磁干擾噪聲淹沒。近年來國內(nèi)外研究避開低頻干擾的甚高頻（VHF）和超高頻（UHF）脈沖電流傳感器，但是由于局放在高頻率段的信號極微弱，現(xiàn)有的抗干擾和微弱信號提取技術(shù)遇到瓶頸，在測量XLPE電纜局部放電中表現(xiàn)不穩(wěn)定。光學(xué)方法測XLPE電纜局部放電是一個(gè)新的探索領(lǐng)域。

1 光學(xué)方法檢測局部放電

根據(jù)局部放電發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的電磁、光、聲波等信息來測量局部放電。光的特性包括光的波長、強(qiáng)度、偏振態(tài)、相位、頻率等[18]。本文結(jié)合光學(xué)特性與局部放電信號，分析討論各種測量方法。

1.1 直接探測可見光法

此方法是檢測局部放電產(chǎn)生的可見光信號，得到局部放電的信息。在GIS等腔體型高壓電器中直接探測可見光的局部放電檢測方法如圖1所示[18-19]。由于XLPE電纜是密閉的固體結(jié)構(gòu)，局部放電的位置又具有不可預(yù)知性，所以檢測XLPE電纜中的局放可見光是極其困難的。

圖1 直接探測局部放電產(chǎn)生光的方法示意圖

1.2 電磁效應(yīng)法

高壓電氣設(shè)備的局部放電會使其周圍的電場和磁場變化，運(yùn)用法拉第電磁原理的全光纖傳感器檢測到光的偏振態(tài)變化，從而得到局部放電的信息。文獻(xiàn)[19-20]基于此方法進(jìn)行了空氣絕緣高壓電器局部放電測試，測試是在沒有其他干擾的狀態(tài)下進(jìn)行的。對于電力電纜而言，系統(tǒng)如圖2所示。在實(shí)際運(yùn)行現(xiàn)場，從XLPE電纜的接地線及空中各個(gè)方向串?dāng)_過來的電磁信號，會給后續(xù)信號的提取與辨別帶來很大困難，這就遇到了與脈沖電流法類似的困難。電磁效應(yīng)法在測量XLPE電纜局部放電上與非光學(xué)的脈沖電流法相比沒有明顯的優(yōu)勢。

圖2 法拉第效應(yīng)光學(xué)法測電纜局部放電示意圖

1.3 光法測超聲波振動(dòng)

為了避免電磁串?dāng)_，局部放電超聲波檢測成為新的研究方向之一。檢測局放超聲波能有效避開其他地方串?dāng)_的電磁信號。

局放產(chǎn)生的超聲波持續(xù)時(shí)間短，其本質(zhì)就是超聲波帶來的振動(dòng)，測量超聲振動(dòng)能反映局部放電的情況?，F(xiàn)有的研究表明，基于光的特性，局部放電超聲波影響光傳感器中發(fā)射光束的某一個(gè)特定屬性，用光特性的改變來表征局部放電的特征。

1.3.1 光纖光柵法

光纖光柵法是基于光的波長變化來測外界振動(dòng)的方法。外界應(yīng)力或者溫度的改變會導(dǎo)致傳感光柵的改變，從而導(dǎo)致光柵反射的中心波長發(fā)生改變。波長變化量包含著外界振動(dòng)的信息。如何測量波長的變化，即光纖光柵的解調(diào)技術(shù)是關(guān)鍵。傳統(tǒng)上一般使用單色儀、光譜儀以及帶有色散元件的CCD探測器來解調(diào)光柵信號，但是這些解調(diào)系統(tǒng)都存在造價(jià)高、體積大、不易攜帶的缺點(diǎn)。現(xiàn)常用的光柵解調(diào)方法有匹配光柵法、波長掃描法、邊緣濾波器線性解調(diào)法、干涉解調(diào)法等[21]。如圖3所示，其本質(zhì)是用壓電陶瓷（PZT）來驅(qū)動(dòng)一個(gè)F-P（Fabry-Perot）腔來掃描入射的寬帶光，光在2個(gè)高反射鏡組成的腔體內(nèi)發(fā)生Fabry-Perot干涉，每一個(gè)時(shí)刻只有一種波長的光透過這個(gè)腔體，當(dāng)探測器得到與光柵的反射波波長相同的光波的時(shí)候，記錄此刻驅(qū)動(dòng)PZT的電壓值，經(jīng)過計(jì)算可以得到光柵反射波長，從而得到外界振動(dòng)、溫度等信息。

圖3 PZT驅(qū)動(dòng)F-P腔掃描示意圖

由于PZT的響應(yīng)速度有限，上限幾百赫茲，使得這種方法只適用于測量靜態(tài)或低頻變化的物理量。研究表明，XLPE電力電纜局放產(chǎn)生的超聲波的主要頻段是60～300 kHz[22-23]，因此對于電纜局部放電產(chǎn)生的高頻超聲振動(dòng)信號，在現(xiàn)有PZT響應(yīng)速度較慢的情況下，光纖光柵法并不適用。

1.3.2 光干涉法

光干涉法是關(guān)于光強(qiáng)度變化的方法，例如強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感技術(shù)、相位調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)。相位調(diào)制型傳感原理本質(zhì)是光的干涉解調(diào)，其與強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感相同，是以干涉條紋的光強(qiáng)度來表征振動(dòng)信息的變化。干涉法測局放的結(jié)構(gòu)如圖4所示，從光源發(fā)出的光在經(jīng)過耦合器均等分配后變成兩路，一路被外界的振動(dòng)等信息調(diào)制，一路作為參考信號，兩路信號在耦合器發(fā)生干涉后輸出，根據(jù)干涉信號強(qiáng)度的變化可以檢測外部電氣信息。

干涉法能快速反應(yīng)外界信息的變化，頻率響應(yīng)快，分辨率高。從理論上說，用它來測量XLPE電力電纜局部放電信號是可行的，具體方法下節(jié)闡述。

1.3.3 其他方法

現(xiàn)有研究表明，基于光頻率變化的檢測技術(shù)，即利用光學(xué)多普勒頻移效應(yīng)的頻率調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)[9]的空間分辨率高，具有跟蹤快速變化的能力。但是當(dāng)前對它的研究都是對流體速度測量的應(yīng)用。雖然在理論上它可測量頻移為1.6 MHz的信息，但是，它的結(jié)構(gòu)構(gòu)造不符合XLPE電纜局部放電的測量需要，同時(shí)關(guān)于其他物理量測量方面的研究還需進(jìn)一步探討。

圖4 干涉法測局部放電超聲振動(dòng)示意圖

2 光纖干涉法測電纜局部放電

同常規(guī)的高壓電器設(shè)備絕緣監(jiān)測方法相比,光纖技術(shù)有其獨(dú)特的優(yōu)越性。1）光纖細(xì)而柔軟，可以做成非常小巧的光纖傳感器,放置在小孔或縫隙中,用來測量某些特殊對象、場合的參數(shù)。2）光纖導(dǎo)光性好,損耗低。光纖傳輸頻帶寬,可以無失真?zhèn)鬏斝盘枴?）光纖傳感器不受電磁場(EMI)的干擾。當(dāng)光信號在光纖中傳輸時(shí),它不會與電磁場產(chǎn)生作用,因而信息在傳輸過程中抗電磁干擾能力強(qiáng)。4）絕緣性能好。光纖是非金屬材料,不導(dǎo)電,其外層涂敷材料硅膠亦不導(dǎo)電，因而光纖的絕緣性能好。5）防爆,耐腐蝕。由于光纖內(nèi)部傳輸?shù)氖悄芰亢苄〉墓庑盘?一般不會產(chǎn)生火花、高溫、漏電等不安全因素,光纖傳感器的安全性能好；另外光纖為非金屬材料,耐腐蝕,因此特別適用于易燃、易爆、強(qiáng)烈腐蝕性的環(huán)境中。能測量超聲振動(dòng)等信號的光干涉法有3種：邁克爾遜（Michelson）干涉，馬赫-澤德爾干涉（Mach-Zehnder），法布里-帕羅（Febry-Perot）干涉。

2.1 邁克爾遜（Michelson）干涉法

Michelson干涉超聲-光檢測系統(tǒng)見圖5。整個(gè)系統(tǒng)由光源、光纖繞圈傳感器、2個(gè)3 dB光纖耦合器或者光環(huán)形器、光電信號處理器以及一根單模光纖連接而成。系統(tǒng)的工作原理[25-26]:使用從光源發(fā)射出的相干光通過3 dB耦合器分成2個(gè)相等的光束,一束在信號臂光纖中傳輸,另一束在參考臂光纖中傳輸,外界信號(超聲波)作用于信號臂的光纖繞圈探頭,第2個(gè)3 dB耦合器把兩束光再次耦合,兩束光在此發(fā)生干涉，然后沿光纖返回直至光敏元件，從而得到電信號，經(jīng)過信號的解調(diào)，還原探測到的外部局部放電相關(guān)信號。

圖5 Michelson干涉超聲-光檢測系統(tǒng)

文獻(xiàn)[25]利用此方法在充滿SF6的腔體上測量局部放電，其模擬的局部放電信號的頻率是100 kHz，光纖傳感器系統(tǒng)得到的信號經(jīng)過快速傅里葉變換后,得到局部放電信號的光譜測試如圖6所示。從圖6可以看出,實(shí)際測出的信號在頻率稍高的部分衰減很嚴(yán)重，和理論計(jì)算有很大差別?？紤]到交聯(lián)聚乙烯材料的聲阻大，檢測系統(tǒng)的靈敏度需足夠高。與傳統(tǒng)的UHF高頻脈沖電流傳感器相比，邁克爾遜干涉法的靈敏度不夠高。此外，與壓電超聲波傳感器類似,存在超聲波傳播的多路徑問題[27]。除了檢測到沿最短距離傳播過來的超聲波,還有沿其他路徑傳播過來的振動(dòng)信號。傳感光纖繞在腔體上的形式和位置都對信號的獲取有著很大的影響。此外，參考臂與信號臂的光路不同，外部振動(dòng)、溫度等干擾對信號影響很大，給信息的解調(diào)與辨別帶來極大的困難。

圖6 邁克爾遜法測GIS局部放電信號光譜

2.2 光纖馬赫-澤德爾干涉（Mach-Zehnder）法

全光纖Mach-Zehnder干涉光-超聲檢測裝置與圖4所示大致相同。系統(tǒng)的工作原理[27-32]：從光源發(fā)射出的相干光通過3 dB耦合器分成2個(gè)相等的光束,一束在信號臂光纖中傳輸,另一束在參考臂光纖中傳輸,外界信號作用于信號臂的光纖繞圈探頭 (超聲波等擠壓光纖，導(dǎo)致其形變)，第2個(gè)3 dB耦合器把兩束光再耦合，并又分成兩束光經(jīng)光纖傳送到2個(gè)探測器中。根據(jù)雙光束相干原理，2個(gè)光探測器收到的光強(qiáng)分別為

式中，I0為光源發(fā)出的光強(qiáng);α為耦合系數(shù);Φ為信號臂與參考臂之間的相位差,其中包括外界待測信號引起的相位差。式（1）表明Mach-Zehnder干涉將外界信號引起的相位變化變換成了光信號強(qiáng)度變化。信號經(jīng)過適當(dāng)?shù)慕庹{(diào)，得到局部放電的超聲波振動(dòng)信號。Mach-Zehnder干涉的解調(diào)方法有多種：強(qiáng)度解調(diào)法，頻域解調(diào)法和相位解調(diào)法等。強(qiáng)度解調(diào)法對噪聲相當(dāng)敏感，不易控制；頻域解調(diào)法的算法實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜；本文認(rèn)為相位解調(diào)技術(shù)是比較可行的。為了消除光傳輸和光源的不穩(wěn)定性，相位解調(diào)技術(shù)分為零差法、外差法，以及基于3×3的光纖耦合器的零差解調(diào)法。

1）零差法。零差法包括被動(dòng)零差（Passive Homodyne）和主動(dòng)零差（Active Homodyne）,主要區(qū)別在于主動(dòng)零差包括反饋器件，可根據(jù)輸出信號對測量系統(tǒng)本身做出主動(dòng)控制。根據(jù)文獻(xiàn)[13]綜合：

式中，I為干涉后的光強(qiáng)；s為傳感器光強(qiáng)對相位變化的靈敏度，當(dāng)Δφ=nπ時(shí)，靈敏度最低；當(dāng)Δφ時(shí)，靈敏度最高。為了使傳感器工作在最高靈敏度狀態(tài)，需要使得如圖4中的參考臂和信號臂的相位差始終保持在正交狀態(tài)，防止初始相位工作點(diǎn)由于外界環(huán)境的微擾,處于不斷的隨機(jī)變化中,而給后續(xù)的相位調(diào)制帶來極大困難。因此，在信號臂受到外界信號調(diào)制的時(shí)候，需要參考臂不斷調(diào)整相位，保證兩臂處于正交狀態(tài)。調(diào)制參考臂的相位一般使用壓電陶瓷（PZT）驅(qū)動(dòng)電壓改變來達(dá)到目的。對于達(dá)到300 kHz的高頻振動(dòng)而言，與光纖光柵法遇到的問題類似,PZT的驅(qū)動(dòng)頻率不夠。

2）外差法。合成外差檢測法的原理和零差檢測法有相通之處，都是對一個(gè)頻譜比較復(fù)雜的信號進(jìn)行濾波，提取出2個(gè)低頻信號，然后重新合成為一個(gè)新的信號，該信號的相位就包含了被測量的信息;和零差法一樣，需要PZT驅(qū)動(dòng)調(diào)制，同樣遇到頻率上限的瓶頸，不適合與檢測高頻率的振動(dòng)信號。

3）基于3×3耦合器的零差解調(diào)法?；?×3耦合器的零差解調(diào)法是一種比較新的解調(diào)技術(shù)，是伴隨相位解調(diào)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的，其基本光路如圖7所示[31]。

圖7 3×3的光纖耦合器解調(diào)方法的原理圖

圖中，激光源發(fā)出的相干光經(jīng)1×2耦合器分成光強(qiáng)比1：1的兩束光，分別進(jìn)入信號線圈和參考光纖線圈，再經(jīng)過3×3對稱耦合器匯合相干，形成調(diào)制的干涉條紋，在終端采用光電探測器檢測干涉光強(qiáng)的變化。在光纖參量基本恒定的情況下，信號臂與參考臂之間的相位差變化正比于被測光強(qiáng)的變化。但是其信號的解調(diào)與提取復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用中靈敏度不夠高。

2.3 法布里-帕羅（Febry-Perot）干涉法測局部放電

一塊硅膜與光纖末端就構(gòu)成了一個(gè)F-P腔。如圖8所示，法布里-帕羅（Febry-Perot）干涉光-振動(dòng)法的整個(gè)檢測系統(tǒng)由傳感器探頭、光源、耦合器、光電信號處理器（光敏元件+高速信號處理器）以及單模光纖連接而成，簡稱為F-P干涉法檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)的工作原理為[32-35]:從光源發(fā)射出的單色光經(jīng)過3 dB耦合器（環(huán)形器），沿著光纖傳入傳感探頭，入射光在光纖纖芯-氣體交界面上發(fā)生第1次Fresnel反射,約4%的光反射回光纖,其余約96%的入射光進(jìn)入腔體，經(jīng)過鍍有金屬的膜反射后，再進(jìn)入光纖?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)薄膜的反射率或傾斜角，使約4%的光反射回光纖，這樣可以在兩束光發(fā)生干涉后得到最大的對比度。在耦合器（環(huán)形器）處發(fā)生干涉，得到的光強(qiáng)為

式中，I0是光源發(fā)射光強(qiáng)；R為反射系數(shù)；l為光纖末端到硅膜內(nèi)表面的腔體長度。從式（3）可以看到，干涉后的光強(qiáng)只和腔長有關(guān)，當(dāng)外界的超聲振動(dòng)信號通過硅膜調(diào)制腔時(shí)，輸出的光強(qiáng)發(fā)生變化，經(jīng)過信號解調(diào)，可以得到超聲振動(dòng)信息，從而得到局部放電的狀態(tài)。

圖8 法布里-帕羅（Febry-Perot）干涉光-振動(dòng)檢測系統(tǒng)

F-P干涉法相比于另外2種干涉法最大的優(yōu)點(diǎn)：1）由于信號光（從薄膜反射的光）和參考光（由光纖端面反射的光）經(jīng)過完全相同的傳輸路徑，光纖沿線的擾動(dòng)同時(shí)作用到信號和參考光，不會影響到測量結(jié)果，測量只受F-P腔長的影響。2）由于干涉儀的關(guān)鍵部分是空氣腔，光在其中傳輸時(shí)偏振態(tài)不會發(fā)生變化，信號光與參考光的偏振態(tài)一致，能夠達(dá)到最大的干涉對比度。3）靈敏度高，方向性好，抗干擾能力強(qiáng)。能抑制超聲振動(dòng)多路徑傳播帶來的影響。4）F-P干涉檢測系統(tǒng)的探頭微小，如圖9所示?？梢宰鳛橐环N點(diǎn)式傳感器。對XLPE電力電纜在線監(jiān)測的重點(diǎn)部位，例如對終端、中間接頭、交叉互聯(lián)箱等，F(xiàn)-P傳感器探頭可以很方便地安裝在電纜的這些重點(diǎn)部位，進(jìn)行局部放電的檢測。

圖9 法布里-帕羅（Febry-Perot）干涉光-振動(dòng)傳感頭

此外，F(xiàn)-P光-振動(dòng)法的檢測頻帶較寬。XLPE電纜局部放電時(shí)產(chǎn)生的超聲波的能量集中在50 kHz至400 kHz頻段，其峰值頻率主要在70~200 kHz之間，而現(xiàn)場超聲波噪聲干擾頻率大多低于60 kHz，所以檢測系統(tǒng)的頻率選定為60～300 kHz比較合適。相比于馬赫-澤德爾干涉法，F(xiàn)-P干涉法的檢測頻率是可調(diào)的。

根據(jù)文獻(xiàn)[35]研究表明，F(xiàn)-P干涉法的響應(yīng)頻率決定于F-P腔的硅膜。如式（4）所示

式中，α是與振動(dòng)模式相關(guān)的常數(shù)；R是腔室內(nèi)徑；h為膜的厚度；g為重力常數(shù)；w是膜片的質(zhì)量；D為剛性曲度，是與材料相關(guān)的常數(shù)。由此可知，系統(tǒng)的響應(yīng)頻率與膜的厚度成正比關(guān)系，與膜的面積成反比關(guān)系，可以根據(jù)不同頻率特性的局部放電來調(diào)整設(shè)計(jì)F-P檢測系統(tǒng)。

3 結(jié)語

XLPE電力電纜局部放電產(chǎn)生電磁、光、聲波等信息，本文結(jié)合光學(xué)方法討論如何通過測量這些信息，從而得到局部放電狀態(tài)。從光本身的波長、強(qiáng)度、偏振態(tài)、相位、頻率等特性出發(fā)，結(jié)合局放特性分析，比較了直接探測可見光法、電磁效應(yīng)法、光-振動(dòng)法等幾種測量方法，重點(diǎn)討論了用光纖干涉法測量局部放電超聲振動(dòng)信號，即光-振動(dòng)法。

文章分析了邁克爾遜（Michelson）干涉、馬赫-澤德爾（Mach-Zehnder）干涉、法布里-帕羅（Febry-Perot）干涉這3種光干涉法得出結(jié)論：法布里-帕羅（Febry-Perot）干涉法測局部放電優(yōu)點(diǎn)突出，有很顯著的應(yīng)用價(jià)值。而法布里-帕羅（Febry-Perot）干涉法在當(dāng)今國際上仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，國內(nèi)的相關(guān)研究剛起步。對于XLPE電力電纜局部放電測量而言，超聲-干涉光檢測作為一種新的非電量檢測法，鑒于其自身的特點(diǎn)，隨著電力系統(tǒng)對XLPE電力電纜可靠性要求的不斷增長，將會有很大的發(fā)展空間。今后可以將其運(yùn)用于局部放電實(shí)際檢測和定位,特別是在多種復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境中,如公路下方、變電站出口等，光-振動(dòng)法據(jù)有良好的抗干擾性能。本文認(rèn)為此方法的研究前景廣闊，并將對其進(jìn)行深入研究。

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